新型氧化鋯增強的二硅酸鋰陶瓷與傳統二硅酸鋰陶瓷的機械性能對比

王 磊 ，阮堅勇

（1.福建省南平市第二醫院 口腔科，福建南平 354200；2.福建醫科大學附屬口腔醫院 種植二科，福建福州 350001）

近年來，各種CAD/CAM可切削陶瓷材料相繼出現，其美學性能、生物相容性、耐磨性和化學穩定性得到不斷完善[1，2]。臨床在選擇修復材料時，尤其后牙區，更加看重材料的機械性能[3]。本研究的目的是基于陶瓷微觀結構和元素組成來評估、比較三種二硅酸鋰陶瓷（熱壓鑄二硅酸鋰玻璃陶瓷、可切削二硅酸鋰玻璃陶瓷以及氧化鋯增強的二硅酸鋰玻璃陶瓷）的機械性能。

1 材料和方法

1.1 主要的設備和材料

超聲波清潔機（SK40-120DJ，張家港市神科超聲電子有限公司，中國）；島津萬能力學試驗機（AG-IC，島津公司，日本）；場發射掃描電鏡（日立S-4800，日本）；牙科熱壓鑄造機（Programat EP3000，義獲嘉韋瓦登特，列支敦士登）；拋光機（沈陽科晶自動化設備有限公司）；自動轉塔數顯顯微硬度計（HXD-1000TM，上海泰明光學儀器有限公司）；研究采用的3種二硅酸鋰陶瓷生產廠商及型號見表1。

表1 受測材料介紹

1.2 制備陶瓷試件

根據ISO 6872牙科陶瓷標準，將18×4.5×2mm3的有機玻璃長條（樣本量為20）作為替代蠟型，用包埋液包埋，放入850℃恒溫爐中預熱1h。將預熱后的包埋塊連同二硅酸鋰陶瓷塊（IPS e.max Press HT型鑄瓷）和氧化鋁推進棒一同放進熱壓鑄造機內，起始溫度700℃，最終在915℃進行熱壓鑄。

利用金剛石切鋸在水環境下將IC和VS組的原瓷塊切成18×4.5×2mm3的長條試樣（樣本量為20），放入Programat CS2燒結爐內，按照廠家要求進行燒結，VS組最終燒結溫度840℃，并保持8min。將制作完成的3組陶瓷長條試件上下面及側面分別在噴水環境下依次使用400～3000目的耐水砂紙打磨拋光，最終尺寸為18×4×1.5mm3。

表2 3種材料物理性能測試結果（±s）

表2 3種材料物理性能測試結果（±s）

注：* 與 VS組比較，P＜0.05。

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1.3 抗彎強度和硬度測定

圖1 3組掃描電鏡圖（左側）和相應的元素組成（右側）

根據牙科陶瓷ISO 6872標準，分別將60個長條試件拋光并倒角，置于島津萬能力學測試儀上，采用三點彎曲法測試其抗彎強度。試件跨距15mm，載荷49N，加載速率為0.5mm/min。三點彎曲強度計算公式為：σ=3NL/2bh2。其中σ為三點彎曲強度（MPa）；N 為斷裂載荷（N）；L 為跨距寬度（mm）；b 為試件寬度（mm）；h 為試件厚度（mm）。

三點彎測試后的碎片采用壓痕法分別測定3種陶瓷的硬度，載荷和加載時間為5N、10s，每種材料至少測試20個點。

1.4 電子能譜分析（EDX）和顯微結構分析

從經過抗彎強度實驗壓斷后的VS組、IC組和IP組試件中分別隨機選取2個試件并分為2組，其中1組試件利用濃度5%的氫氟酸溶液酸蝕60s，去離子水沖洗表面酸蝕液。2組試件分別在超聲機內清洗10min、干燥后，表面噴金，置于場發射掃描電鏡中觀測酸蝕組的表面微觀形貌，并對未酸蝕組進行EDX能譜分析。

1.5 統計學方法

使用SPSS17.0統計軟件，計量資料比較采用單因素方差分析（ANOVA），并用Tukey事后檢驗進行兩兩數據比較。

2 結果

2.1 力學性能結果

IP、IC和VS組的抗彎強度和硬度值見表2。結果顯示VS組抗彎強度顯著高于IP和IC組（均P＜0.05）。VS組硬度值顯著高于IP和IC組（均P＜0.05）。

圖2 IP組(A和a)、IC組(B和b)和VS組(C和c)酸蝕后的表面微觀形貌

2.2 EDX分析

對3種玻璃陶瓷進行EDX能譜分析，陶瓷內部組成元素結果如圖1所示。像預期的一樣，鋰元素無法被測試出來。在3種陶瓷中同時檢測出了相對較高的Si和O元素以及一定量的Zr、Al、K、Ce等元素，證明SiO2是3種陶瓷的玻璃相的主要組成部分；在VS組檢測出了相對較高的Zr，而IC組和IP組Zr含量相對較低；VS組Si和K含量明顯低于IC組和IP組，而IC組Al含量明顯高于VS組和IP組，IP組Zn含量明顯高于VS組和IC組。

2.3 表面微觀形貌

圖2為IP、IC和VS組酸蝕后的晶體形貌。結果顯示，經氫氟酸酸蝕后的3種陶瓷表面凹凸不平。IP組酸蝕后試件表面玻璃相幾乎完全溶解，露出針狀晶粒，呈一定方向密集排列，晶粒尺寸界于3～4μm之間，在3組中晶粒尺寸最大；IC組酸蝕后試件表面露出較短的針狀晶體，同樣交錯密集排列，與IP組不同的是在晶粒之間仍然可以看到未溶解的玻璃相，晶粒之間沒有明顯界限；VS組酸蝕后試件表面露出短棒狀晶粒均勻分布在玻璃相之間，在3組中晶粒尺寸最小。

3 討論

氧化鋯修復體是齒科陶瓷中機械性能很高的材料，但是多數氧化鋯陶瓷表面需要上飾瓷以增加美學效果。有文獻報道這種雙層氧化鋯修復體表面容易誘發崩瓷、折裂等現象[4]，不能兼顧美學與力學雙重性能。齒科陶瓷中最具美學效果的是玻璃陶瓷，從上世紀的長石質陶瓷、白榴石增強的玻璃陶瓷到二硅酸鋰玻璃陶瓷，均美學性能較佳，力學性能得到提高[5]，可以單片加工完成，表面不需要增加飾瓷[2]。近年來臨床上被廣泛使用的二硅酸鋰玻璃陶瓷主要是熱壓鑄二硅酸鋰玻璃陶瓷和可切削二硅酸鋰玻璃陶瓷；前者采用失蠟法-熱壓鑄造技術制作，后者采用CAD/CAM切削技術完成。最近，一種氧化鋯增強的二硅酸鋰玻璃陶瓷（Vita Suprinity）被引入到牙科市場[6]。它含有較高的氧化鋯，是第一種氧化鋯增強的二硅酸鋰陶瓷。制造商將一定量的氧化鋯顆粒加入到陶瓷結構中，通達到中斷裂紋增強陶瓷結構，既表現出較強的機械性能，又達到最高的審美要求[7]。

玻璃陶瓷是由無定型玻璃基質和晶粒組成的雙相多晶體材料，陶瓷的組成和晶粒的數量、大小、排列方向等決定材料的物理性能、機械性能以及光學性能[2，8]。本研究評價和比較了IP、IC和VS組的機械性能，結果表明VS組的抗彎強度和硬度均明顯高于IP組和IC組，盡管IP組和IC組的抗彎強度和硬度的平均值有差異，但沒有統計差異。與之前的文獻結果相一致。

在本研究中，進行了一些標準狀態下的靜態材料試驗，來對比傳統的鑄瓷、可切削二硅酸鋰陶瓷與新型氧化鋯增韌的二硅酸鋰陶瓷的力學性能。陶瓷的硬度、抗彎強度等參數常用來評價齒科全瓷的臨床潛力。三點彎測試是實驗室常用且滿足ISO 6872-2008牙科材料標準的抗彎強度測定方法。有學者采用此種方法測試二硅酸鋰鑄瓷，得出其抗彎強度約為303～426MPa。由于陶瓷材料的抗彎強度測定方法與材料規格大小以及受力區域有無內部缺餡有較大關系，并且國際標準規定范圍內的材料尺寸范圍相對較寬，因而不同學者所測強度值有一定波動屬于正常。本實驗中IP組抗彎強度測試結果為345.40±42.79MPa，該值與廠商提供強度值相差不大。VS組強度約為420.24±30.76MPa，IC 組強度 340.73±32.79MPa，跟之前的文獻結果相近[7]。

硬度是材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力，是用來比較陶瓷修復材料的重要力學性能[9]。本實驗中，VS組測得的硬度明顯高于IC組和IP組，主要歸因于氧化鋯填料的加入，溶解后的氧化鋯顆粒散在分布于玻璃基質內，使得玻璃基質無法像IP組內一樣成團聚集分布[7]。

在3種陶瓷中同時檢測出了相對較高的Si和O元素，證明SiO2是3種陶瓷的玻璃相的主要組成部分，它以[SiO4]形式組成硅酸鹽玻璃，在基質玻璃種形成硅氧四面體相連的三維網絡結構。圖1中也可以看出IP組的K含量高于IC組，同時明顯高于VS組。有文獻報道K2O較強的釋放游離氧的能力可以加速三維網狀結構斷裂、松散，促進成核，有助于形成細長板條形晶體，得到理想的顯微形貌和最高的晶體含量[10]。從圖2的3組晶體形貌中也可以看出IP組二硅酸鋰晶粒呈長針狀，其長度明顯高于IC組和VS組的短棒狀晶體。IC組Al含量明顯高于VS組和IP組，Al2O3的作用與K2O相反，它可以形成鋁氧四面體促使K2O造成的斷裂部分再次連接，使松散的玻璃基質趨向緊密。3種材料同時檢測出了引入少量的CeO2，其作用可模擬天然牙的熒光效果。另外ZrO2有利于調節析出晶體的形態，獲得良好的半透性，還能利用其相變增韌補強，所以VS組含有更高的Zr含量，其強度和硬度均明顯高于IP組和IC組。其較強的增韌作用使得VS可以在未晶化的玻璃態下進行CAD/CAM加工成型，而其他可切削陶瓷需要在局部晶化狀態下加工成型。

本研究評估、比較了3種陶瓷的強度和硬度，并通過觀測其晶體結構和元素組成，發現氧化鋯增強的二硅酸鋰陶瓷的機械性能優于其他兩者的原因，為臨床工作中全瓷材料的合理選擇提供的參考數據。

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